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JP7302203B2 - Passive sonar device, detection method, and program - Google Patents
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JP7302203B2 - Passive sonar device, detection method, and program - Google Patents

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Description

本開示は、パッシブソーナー装置及びその制御方法、並びにプログラムに関する。 The present disclosure relates to a passive sonar device, its control method, and a program.

一般にソーナーは、パッシブソーナーとアクティブソーナーとに大別される。パッシブソーナーとは、海中の目標が発した音波を受波し、この音波の到来方位から、目標の方位を特定する装置である。一方、アクティブソーナーとは、海中に音波を放射し、目標からの反射音を受波し、放射音と反射音との時間差及び反射音の到来方位から、目標の方位及び目標との間の距離を特定する装置である。なお、本開示は、パッシブソーナーで取得した音響信号を対象としている。 Generally, sonars are broadly classified into passive sonars and active sonars. A passive sonar is a device that receives sound waves emitted by a target in the sea and identifies the direction of the target from the direction of arrival of the sound waves. Active sonar, on the other hand, radiates sound waves into the sea, receives reflected sounds from targets, and calculates the target direction and distance from the time difference between the emitted and reflected sounds and the direction of arrival of the reflected sounds. is a device for identifying Note that the present disclosure is directed to acoustic signals acquired with passive sonar.

音響信号から音源を識別する技術としては、音響信号の周波数分析結果から音響特徴を抽出し、この音響特徴を入力とする識別器によって音源の識別を行う技術が一般的である。この技術は、ソーナーにより海中で取得した音響信号を対象とする場合であっても同様に適用可能である。海中で取得した音響信号の音源を識別器によって識別する技術としては、例えば、以下のような技術が特許文献1,2として開示されている。 A general technique for identifying a sound source from an acoustic signal is to extract an acoustic feature from the result of frequency analysis of the acoustic signal and identify the sound source using a discriminator that receives the acoustic feature as an input. This technology is equally applicable to acoustic signals acquired under the sea by sonar. For example, Patent Documents 1 and 2 disclose the following techniques as techniques for identifying a sound source of an acoustic signal acquired under the sea using a discriminator.

特許文献1の開示する目標自動識別装置は、海中で取得した音響信号の周波数分析結果を、目標の音源に特有の特徴に基づいて符号に変換し、この符号を入力としたニューラルネットワークによって、目標の船種を識別するものである。 The automatic target identification device disclosed in Patent Document 1 converts the frequency analysis result of the acoustic signal obtained in the sea into a code based on the characteristics peculiar to the sound source of the target, and uses a neural network with this code as an input to identify the target to identify the type of vessel.

特許文献2の開示する目標自動検出装置は、海中又は空中で取得した音響信号の周波数分析結果を時刻ごとに次元圧縮し、特徴ベクトル列に変換し、この特徴ベクトル列を入力としたサポートベクターマシンによって、目標の存在を検出するものである。 The automatic target detection device disclosed in Patent Document 2 is a support vector machine that dimensionally compresses the frequency analysis result of an acoustic signal acquired in the sea or in the air for each time, converts it into a feature vector sequence, and uses this feature vector sequence as an input. to detect the presence of the target.

特許第3159306号公報Japanese Patent No. 3159306 特開2013-007578号公報JP 2013-007578 A

しかし、海中で取得した音響信号の音源を識別器によって識別する関連技術には、以下の2つの課題があった。
第1の課題は、精度の高い識別器の作成が困難であるということである。現行の音源の識別器は、特徴量の統計値を用いるため、学習用の音響信号として大量のデータを要する。そのうえ、学習用の音響信号は無作為に選択するのではなく、統計値に目標の音源の特徴が表現されるように、適切なデータを選択しなければならない。学習用の音響信号が、観測状況が悪く周囲雑音が混入している等の不適切なデータである場合には、本来学習させたい成分以外の余計な成分を学習してしまい、識別器の精度低下を招くおそれがある。
However, the following two problems existed in the related technology for identifying the sound source of the acoustic signal acquired under the sea using a discriminator.
The first problem is that it is difficult to create a classifier with high accuracy. Since current sound source classifiers use statistical values of feature quantities, they require a large amount of data as acoustic signals for learning. Moreover, acoustic signals for training should not be selected randomly, but appropriate data should be selected so that the statistics represent the characteristics of the target sound source. If the acoustic signal for learning is inappropriate data, such as when the observation conditions are bad and ambient noise is mixed in, unnecessary components other than the components originally desired to be learned will be learned, resulting in a decrease in the accuracy of the classifier. It may lead to a decline.

第2の課題は、移動する目標への対応が困難であるということである。目標が移動している場合、目標の位置や速力によってはドップラが発生し、時間経過に伴って音響信号の周波数が大きく変化(ドップラシフト)する可能性がある。このケースを想定していない学習結果を用いると、観測信号の検出漏れや検出誤りが起きやすくなる。しかし、観測状況によってドップラシフトの有無は異なり、また、出現周波数によって周波数の変化量は異なるため、固定的な学習結果である識別器でドップラシフトに対応することは一般的には困難である。 A second problem is that it is difficult to respond to moving targets. When the target is moving, Doppler may occur depending on the position and speed of the target, and the frequency of the acoustic signal may change significantly (Doppler shift) over time. If a learning result that does not assume this case is used, detection omissions and detection errors of observed signals are more likely to occur. However, the presence or absence of Doppler shift differs depending on observation conditions, and the amount of change in frequency varies depending on the frequency of appearance. Therefore, it is generally difficult to deal with Doppler shift with a discriminator, which is a fixed learning result.

そこで本開示の目的は、上述した課題のいずれかを解決することができるパッシブソーナー装置及びその制御方法、並びにプログラムを提供することにある。 Accordingly, an object of the present disclosure is to provide a passive sonar device, a control method thereof, and a program that can solve any of the problems described above.

一態様によるパッシブソーナー装置は、
海中の音響信号を取得する受波器と、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行う対数周波数分析部と、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出する基底選択部と、
前記周波数分析の結果である周波数分析結果と前記基底ベクトルとを用いて、非負値行列因子分解(NMF:Non-negative Matrix Factorization)を実行し、前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を算出する信号分離部と、
前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を用いて、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する判定部と、
を備える。
A passive sonar device according to one aspect comprises:
a receiver for acquiring underwater acoustic signals;
a logarithmic frequency analysis unit that performs frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
a basis selection unit for extracting basis vectors of a particular sound source from a database;
Using the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis, and the basis vectors, non-negative matrix factorization (NMF) is performed to calculate the activity of the basis vectors with respect to the acoustic signal. a signal separator;
a determination unit that detects that the acoustic signal is transmitted from the specific sound source using the activity of the basis vectors for the acoustic signal;
Prepare.

一態様によるパッシブソーナー装置の制御方法は、
海中の音響信号を取得し、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行い、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出し、
前記周波数分析の結果である周波数分析結果と前記基底ベクトルとを用いて、非負値行列因子分解(NMF:Non-negative Matrix Factorization)を実行し、前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を算出し、
前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を用いて、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する。
A method of controlling a passive sonar device, according to one aspect, comprises:
Acquiring underwater acoustic signals,
performing a frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
Extract the basis vectors of a particular sound source from the database,
Using the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis, and the basis vectors, non-negative matrix factorization (NMF) is performed to calculate the activity of the basis vectors with respect to the acoustic signal. ,
The activity of the basis vectors for the acoustic signal is used to detect that the acoustic signal was emitted from the particular sound source.

一態様によるプログラムは、
コンピュータに、
海中の音響信号を取得する手順と、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行う手順と、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出する手順と、
前記周波数分析の結果である周波数分析結果と前記基底ベクトルとを用いて、非負値行列因子分解(NMF:Non-negative Matrix Factorization)を実行し、前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を算出する手順と、
前記音響信号に対する前記基底ベクトルの活性度を用いて、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する手順と、
を実行させるためのプログラムである。
A program according to one aspect comprises:
to the computer,
a procedure for obtaining an acoustic signal in the sea;
performing a frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
a step of extracting basis vectors for a particular sound source from a database;
Using the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis, and the basis vectors, non-negative matrix factorization (NMF) is performed to calculate the activity of the basis vectors with respect to the acoustic signal. a procedure;
a step of detecting that the acoustic signal is emitted from the specific sound source using the activity of the basis vectors for the acoustic signal;
It is a program for executing

上述の態様によれば、上述した課題の解決に貢献することができるパッシブソーナー装置及びその制御方法、並びにプログラムを提供できるという効果が得られる。 According to the above-described aspect, it is possible to provide a passive sonar device, a control method thereof, and a program that can contribute to solving the above-described problems.

実施の形態に係るパッシブソーナー装置の構成例を示す図である。1 is a diagram showing a configuration example of a passive sonar device according to an embodiment; FIG. 実施の形態に係る信号分離部の動作例を示す図である。It is a figure which shows the example of an operation|movement of the signal separation part which concerns on embodiment. 実施の形態に係る信号分離部の動作例を示す図である。It is a figure which shows the example of an operation|movement of the signal separation part which concerns on embodiment. 他の実施の形態に係るパッシブソーナー装置における信号検出部以降の構成例を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a configuration example after a signal detection unit in a passive sonar device according to another embodiment; 実施の形態を概念的に示したパッシブソーナー装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the passive sonar apparatus which showed embodiment conceptually.

以下、図面を参照して本開示の実施の形態について説明する。なお、以下の記載及び図面は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされている。また、以下の各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
<実施の形態>
図1は、本実施形態に係るパッシブソーナー装置の構成例を示す図である。
図1に示されるように、本実施形態に係るパッシブソーナー装置は、海中の音響信号を取得する受波器10、受波器10で取得された音響信号の音源を識別する類識別処理部20、及び類識別処理部20で識別された音源の識別結果を表示する表示部30を備えている。また、類識別処理部20は、前段処理部21、信号検出部22、及び後段処理部23を備えている。また、前段処理部21は、対数周波数分析部211、方位算出部212、検出区間判定部213、及び周波数分析結果分割部214を備えている。また、信号検出部22は、基底データベース221、基底選択部222、信号分離部223、雑音推定部224、及び活性度正規化処理部225を備えている。また、後段処理部23は、閾値判定部231を備えている。なお、図1において、太線で示した対数周波数分析部211及び信号検出部22は、本開示の本質的な構成要素である。
Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the following descriptions and drawings are appropriately omitted and simplified for clarity of explanation. Further, in each drawing below, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted as necessary.
<Embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a passive sonar device according to this embodiment.
As shown in FIG. 1, the passive sonar device according to the present embodiment includes a wave receiver 10 that acquires an underwater acoustic signal, and a class identification processing unit 20 that discriminates the sound source of the acoustic signal acquired by the wave receiver 10. , and a display unit 30 for displaying the identification result of the sound source identified by the class identification processing unit 20 . Further, the class identification processing section 20 includes a pre-processing section 21 , a signal detection section 22 and a post-processing section 23 . The pre-processing unit 21 also includes a logarithmic frequency analysis unit 211 , an orientation calculation unit 212 , a detection interval determination unit 213 , and a frequency analysis result division unit 214 . The signal detection unit 22 also includes a base database 221 , a base selection unit 222 , a signal separation unit 223 , a noise estimation unit 224 , and an activity normalization processing unit 225 . Further, the post-processing unit 23 includes a threshold determination unit 231 . In addition, in FIG. 1, the logarithmic frequency analysis unit 211 and the signal detection unit 22 indicated by thick lines are essential components of the present disclosure.

以下、類識別処理部20が備える各構成要素の動作について説明する。
[前段処理部21]
対数周波数分析部211は、受波器10で取得された音響信号が入力信号として入力され、この入力信号に対して周波数分析を行い、対数周波数(オクターブ)軸上で表現されるデータに変換する。対数周波数軸上での周波数分析は、Constant-Q変換(CQT: Constant-Q Transformation)を用いて行う。本実施の形態では、ソノブイで代表的に用いられている構成を前提とし、南北方向及び東西方向に指向性をもつ指向性センサで観測された音響信号と、指向性をもたない無指向性センサで観測された音響信号と、が受波器10から入力される場合について示す。対数周波数分析部211の周波数分析結果は、方位算出部212及び検出区間判定部213に出力される。
The operation of each component included in the class identification processing unit 20 will be described below.
[Pre-processing unit 21]
The logarithmic frequency analysis unit 211 receives the acoustic signal obtained by the wave receiver 10 as an input signal, performs frequency analysis on this input signal, and converts it into data expressed on a logarithmic frequency (octave) axis. . Frequency analysis on the logarithmic frequency axis is performed using Constant-Q Transformation (CQT). In this embodiment, on the premise of a configuration typically used in sonobuoys, acoustic signals observed by a directional sensor with directivity in the north-south direction and east-west direction, and an omnidirectional sensor with no directivity. A case where the acoustic signal observed by the sensor and the acoustic signal are input from the wave receiver 10 is shown. The frequency analysis result of the logarithmic frequency analysis unit 211 is output to the azimuth calculation unit 212 and the detection interval determination unit 213 .

方位算出部212は、入力信号の周波数分析結果を基に、各時刻及び各周波数の入力信号の到来方位を算出する。なお、受波器10が複数のセンサによりアレイ配列を構成する場合においては、既知方法によって指向性合成を行い、入力信号の到来方位を得るものとする。方位算出部212の処理結果は、周波数分析結果分割部214に出力される。 The azimuth calculation unit 212 calculates the arrival azimuth of the input signal at each time and each frequency based on the frequency analysis result of the input signal. In the case where the wave receiver 10 forms an array arrangement with a plurality of sensors, the directionality synthesis is performed by a known method to obtain the incoming direction of the input signal. The processing result of the azimuth calculation unit 212 is output to the frequency analysis result division unit 214 .

検出区間判定部213は、入力信号の周波数分析結果を基に、通信路の異常が発生した区間(無音、過大な広帯域雑音の混入)を推定する。この推定された区間は、あらかじめ信号検出部22による検出処理の対象外として扱われる。検出区間判定部213の処理結果は、周波数分析結果に付加され、周波数分析結果分割部214に出力される。 Based on the frequency analysis result of the input signal, the detection section determination unit 213 estimates a section (no sound, mixture of excessive broadband noise) in which an abnormality has occurred in the communication path. This estimated section is handled in advance as being excluded from detection processing by the signal detection unit 22 . The processing result of the detection interval determination unit 213 is added to the frequency analysis result and output to the frequency analysis result dividing unit 214 .

周波数分析結果分割部214は、入力信号の到来方位を基に、入力信号の周波数分析結果を任意の個数に分割する。この処理によって、任意の方位を強調及び抑制し、S/N比(Signal-Noise ratio)を改善した周波数分析結果が得られる。具体的には、周波数分析結果分割部214は、360度の方位を分割個数で等分した方位セクタを設定し、この方位セクタに到来方位が含まれるデータを抽出する処理を繰り返す。例えば、分割個数が8の場合は、1つ目は0±α度方向の成分以外を0に置換したデータとし、2つ目は45±α度方向の成分以外を0に置換したデータとするという処理を繰り返し、方位ごとに分割された8個の周波数分析結果を得る。αはパラメータとし、通常は隣り合う方位セクタがオーバーラップするように設定する。周波数分析結果分割部214により得られた方位ごとの周波数分析結果は、信号検出部22の基底選択部222に出力される。 Frequency analysis result dividing section 214 divides the frequency analysis result of the input signal into an arbitrary number based on the direction of arrival of the input signal. This processing emphasizes and suppresses arbitrary directions, and obtains a frequency analysis result with an improved S/N ratio (Signal-Noise ratio). Specifically, the frequency analysis result division unit 214 sets azimuth sectors obtained by equally dividing the azimuth of 360 degrees by the number of divisions, and repeats the process of extracting data including the arrival azimuth in the azimuth sectors. For example, if the number of divisions is 8, the first data is data in which the components other than those in the direction of 0±α degrees are replaced with 0, and the second data is data in which the components other than those in the direction of 45±α degrees are replaced with 0. This process is repeated to obtain eight frequency analysis results divided for each azimuth. α is a parameter and is usually set so that adjacent azimuth sectors overlap. The frequency analysis result for each azimuth obtained by the frequency analysis result division unit 214 is output to the basis selection unit 222 of the signal detection unit 22 .

[信号検出部22]
信号検出部22は、入力された方位ごとの周波数分析結果を基に、入力信号の信号分離を行う。本実施の形態では、信号分離処理の方式として、非負値行列因子分解(NMF: Non-negative Matrix Factorization)を用いた場合について説明する。NMFは、複数のベクトルの積として行列で表現されたデータ(画像、音響信号等)から任意のベクトル(基底という。)を探索する技術である。また、NMFの出力として、探索対象のベクトルがデータ中の「どの時刻」に「どの程度の強さ」で存在するかを示すベクトル(活性度という。)が得られる。
[Signal detector 22]
The signal detection unit 22 separates the input signal based on the input frequency analysis result for each azimuth. In this embodiment, a case where non-negative matrix factorization (NMF: Non-negative Matrix Factorization) is used as a method of signal separation processing will be described. NMF is a technique for searching for arbitrary vectors (called bases) from data (images, sound signals, etc.) represented by matrices as a product of a plurality of vectors. As an output of the NMF, a vector (referred to as "activity") is obtained which indicates "at what time" and "with what intensity" the vector to be searched exists in the data.

基底データベース221には、捜索対象とする音源の周波数特性情報が、1音源につき1件以上あらかじめ基底ベクトルとして登録されているものとする。 It is assumed that one or more pieces of frequency characteristic information of sound sources to be searched are registered in advance in the base database 221 as base vectors for one sound source.

基底選択部222は、捜索対象の音源の基底ベクトルを基底データベース221から抽出する。1つの音源に対応する基底ベクトルが基底データベース221に2件以上登録されている場合は、基底選択部222は、次の2つの条件を満たす基底ベクトルを選択する。第1の条件は、基底ベクトルと活性度ベクトルとの積が周波数分析結果と近似すること、すなわち、基底ベクトルと活性度ベクトルとの相互間の距離が充分に小さくなることである。第2の条件は、基底ベクトルが極力少ない周波数で表現される単純(スパース)な構造であることである。スパース構造をもつ基底ベクトル、すなわち余計な成分をもたない基底ベクトルであれば、音源の一部の周波数が出現しない場合であっても活性度が影響を受けず、検出漏れを防ぐことができる。これら2つの条件を関数として表現し、その関数の最適化により基底ベクトルを推測する。基底選択部222により抽出された基底ベクトルは、方位ごとの周波数分析結果と共に、信号分離部223に出力される。 The basis selection unit 222 extracts the basis vectors of the search target sound source from the basis database 221 . When two or more basis vectors corresponding to one sound source are registered in the basis database 221, the basis selection unit 222 selects basis vectors that satisfy the following two conditions. The first condition is that the product of the basis vector and the activity vector approximates the frequency analysis result, that is, the distance between the basis vector and the activity vector is sufficiently small. The second condition is that the basis vectors have a simple (sparse) structure represented by as few frequencies as possible. If the basis vectors have a sparse structure, that is, basis vectors that do not have unnecessary components, the activation level is not affected even if some frequencies of the sound source do not appear, and detection omissions can be prevented. . We express these two conditions as a function and estimate the basis vectors by optimizing the function. The basis vectors extracted by the basis selection section 222 are output to the signal separation section 223 together with the frequency analysis result for each direction.

信号分離部223は、方位ごとの周波数分析結果と基底ベクトルとを用いてNMFを実行し、入力信号に対する捜索対象の音源の基底ベクトルの活性度を算出する。
ここで、信号分離部223の処理について、図2及び図3を参照して詳細に説明する。なお、図2及び図3は、基底ベクトルの捜索範囲が基底ベクトルの±3ビンである場合の例である。
The signal separation unit 223 performs NMF using the frequency analysis result for each azimuth and the basis vector, and calculates the activity of the basis vector of the sound source to be searched for the input signal.
Here, processing of the signal separation unit 223 will be described in detail with reference to FIGS. 2 and 3. FIG. 2 and 3 are examples in which the search range of the basis vector is ±3 bins of the basis vector.

図2の(A)は、捜索対象の音源の基底ベクトルを表している。また、図2の(A)において、基底ベクトルは、捜索対象の音源の基本周波数と、その基本周波数の倍音の周波数と、に存在している。また、図2の(A)において、基底ベクトルの周波数軸は、対数尺度で表現されている。 FIG. 2A represents the basis vectors of the sound sources to be searched. Also, in FIG. 2A, the basis vectors exist at the fundamental frequency of the sound source to be searched and at the frequencies of overtones of the fundamental frequency. Also, in FIG. 2A, the frequency axis of the basis vectors is expressed in logarithmic scale.

図2の(B)は、ある方位の周波数分析結果を表している。また、図2の(B)において、周波数分析結果の周波数軸は、対数尺度で表現されている。また、図2の(B)において、濃度の濃いセルは、捜索対象の音源の音響信号を表し、濃度の薄いセルは、捜索対象の音源の周囲にある別の音源の音響信号を表している。 (B) of FIG. 2 represents the frequency analysis result of a certain direction. Also, in FIG. 2B, the frequency axis of the frequency analysis result is represented by a logarithmic scale. In FIG. 2B, cells with high density represent acoustic signals of the sound source to be searched, and cells with low density represent acoustic signals of other sound sources around the sound source to be searched. .

図2の(B)に示されるように、捜索対象の音源の音響信号は、周波数が時間と共に低周波側にシフト(すなわち、ドップラシフト)しており、このドップラシフトの影響により広い周波数帯域(-2ビン~+2ビン)に音響信号が発生していることがわかる。 As shown in FIG. 2B, the acoustic signal of the sound source to be searched has its frequency shifted to the low frequency side with time (that is, Doppler shift). It can be seen that acoustic signals are generated in -2 bin to +2 bin).

図2の(C)は、図2の(A)の基底ベクトルと、図2の(B)の周波数分析結果と、から得られた活性度行列を表している。この活性度行列の各列は、基底ベクトルと周波数分析結果の各列との内積を計算することで得られた列ベクトルである。この内積計算がNMFに対応する。 (C) of FIG. 2 represents an activity matrix obtained from the basis vectors of (A) of FIG. 2 and the result of frequency analysis of (B) of FIG. Each column of this activity matrix is a column vector obtained by calculating the inner product between the basis vector and each column of the frequency analysis result. This inner product calculation corresponds to NMF.

より詳細には、活性度行列は、ドップラシフトへの追従を目的として、基底ベクトルを任意の範囲(ここでは、基底ベクトルの±3ビン)で周波数方向にずらして、基底ベクトルと周波数分析結果との内積を計算した結果である。基底ベクトルを周波数方向にずらすことが可能なのは、周波数軸が対数尺度で表現されているためである。 More specifically, for the purpose of following the Doppler shift, the activity matrix shifts the basis vectors in an arbitrary range (here, ±3 bins of the basis vectors) in the frequency direction, and the basis vectors and the frequency analysis result This is the result of calculating the inner product of . The reason why the basis vectors can be shifted in the frequency direction is that the frequency axis is represented by a logarithmic scale.

図2の(C)の活性度行列において、基底ベクトルの周波数をずらさずに計算した内積が「0」の列ベクトルとなり、基底ベクトルの周波数を+2ビンずらして計算した内積が「+2」の列ベクトルとなる。ここでは、基底ベクトルの捜索範囲が基底ベクトルの±3ビンであるため、活性度行列は、-3ビン~+3ビンの計7列の列ベクトルから構成されることになる。 In the activity matrix of FIG. 2C, the inner product calculated without shifting the frequency of the basis vectors is a column vector of "0", and the inner product calculated by shifting the frequency of the basis vectors by +2 bins is a column of "+2". vector. Here, since the search range of the basis vectors is ±3 bins of the basis vectors, the activity matrix is composed of a total of 7 column vectors from −3 bins to +3 bins.

このように、本実施の形態においては、信号分離部223は、基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、基底ベクトルと周波数分析結果との内積を計算し、活性度行列を算出する。 Thus, in the present embodiment, signal separation section 223 shifts the basis vectors in the frequency direction within an arbitrary range, calculates the inner product of the basis vectors and the frequency analysis result, and calculates the activity matrix.

もし、基底ベクトルを周波数方向にずらさない場合は、活性度行列は、0ビンの情報だけしか含まれない。そのため、図2(b)に示されるように、ドップラシフトの影響により広い周波数帯域(-2ビン~+2ビン)に捜索対象の音源の音響信号が発生してしまった場合、-2、-1、+1、+2ビンの情報が欠落してしまう。 If the basis vectors are not shifted in the frequency direction, the activity matrix contains only 0-bin information. Therefore, as shown in FIG. 2B, when the acoustic signal of the sound source to be searched is generated in a wide frequency band (-2 bin to +2 bin) due to the influence of Doppler shift, -2, -1 , +1, +2 bin information is lost.

これに対して、本実施の形態のように、基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらす場合、ドップラシフトの影響により広い周波数帯域(-2ビン~+2ビン)に捜索対象の音源の音響信号が発生してしまった場合でも、情報(-2、-1、+1、+2ビンの情報)の欠落を抑制することができる。 On the other hand, when the basis vectors are shifted in the frequency direction within an arbitrary range as in this embodiment, the acoustic signal of the sound source to be searched is spread over a wide frequency band (-2 bins to +2 bins) due to the influence of Doppler shift. Even if this occurs, it is possible to suppress loss of information (information of −2, −1, +1, +2 bins).

上述のようにして、信号分離部223は、方位ごとに、活性度行列を算出する。方位ごとの活性度行列は、雑音推定部224に出力される。 As described above, signal separation section 223 calculates an activity matrix for each direction. The activity matrix for each direction is output to noise estimation section 224 .

次に、図3に示されるように、信号分離部223は、活性度行列から、各時刻の最大値を、入力信号に対する活性度である可能性がある成分として抽出し、抽出された値を時間方向に並べた活性度ベクトルを算出する。 Next, as shown in FIG. 3, the signal separation unit 223 extracts the maximum value at each time from the activity matrix as a component that may be the activity for the input signal, and converts the extracted value to Calculate activity vectors arranged in the time direction.

上述のようにして、信号分離部223は、方位ごとに、活性度ベクトルを算出する。方位ごとの活性度ベクトルは、活性度正規化処理部225に出力される。 As described above, the signal separation unit 223 calculates an activity vector for each direction. The activity vector for each orientation is output to the activity normalization processing section 225 .

雑音推定部224は、活性度正規化処理部225で方位ごとの活性度ベクトルを正規化するために、方位ごとに周囲雑音を推定する。雑音推定部224は、入力された活性度行列から、各時刻の最大値以外を周囲雑音に対する活性度として抽出し、抽出された活性度の値を時間方向に並べた雑音活性度ベクトルを算出する。このようにして、雑音推定部224は、方位ごとに、雑音活性度ベクトルを算出する。方位ごとの雑音活性度ベクトルは、活性度正規化処理部225に出力される。 The noise estimation unit 224 estimates the ambient noise for each direction so that the activity normalization processing unit 225 normalizes the activity vector for each direction. The noise estimating unit 224 extracts activities other than the maximum value at each time as activities against ambient noise from the input activity matrix, and calculates a noise activity vector in which the extracted activity values are arranged in the time direction. . Thus, the noise estimator 224 calculates the noise activity vector for each direction. The noise activity vector for each direction is output to activity normalization processing section 225 .

活性度正規化処理部225は、雑音活性度ベクトルを用いて方位ごとの活性度ベクトルを正規化する。次に、活性度正規化処理部225は、正規化した方位ごとの活性度ベクトルを連結して正規化活性度行列とし、この正規化活性度行列から、各時刻の最大値を、入力信号に対する活性度として抽出し、抽出された活性度の値を時間方向に並べた1次元の正規化活性度ベクトルを算出する。この正規化活性度ベクトルは、閾値判定部231に出力される。 The activity normalization processing unit 225 normalizes the activity vector for each direction using the noise activity vector. Next, activity normalization processing section 225 concatenates the normalized activity vectors for each orientation to form a normalized activity matrix, and from this normalized activity matrix, the maximum value at each time is calculated as The activity is extracted, and a one-dimensional normalized activity vector is calculated by arranging the extracted activity values in the time direction. This normalized activity vector is output to the threshold determination section 231 .

[後段処理部23]
閾値判定部231は、正規化活性度ベクトルの各時刻の数値を検出閾値と比較する。閾値判定部231は、正規化活性度ベクトルの各時刻の数値が検出閾値以上の数値であれば、基底ベクトルに対応する捜索対象の音源が、その時刻に存在していること、すなわち、入力信号が捜索対象の音源から送出されたことを検出する。
[Post-processing unit 23]
The threshold determination unit 231 compares the numerical value of the normalized activity vector at each time with the detection threshold. If the numerical value of the normalized activity vector at each time is equal to or greater than the detection threshold, the threshold determination unit 231 determines that the sound source to be searched corresponding to the basis vector exists at that time, that is, the input signal is emitted from the sound source to be searched.

上述したように本実施の形態によれば、受波器10で取得された海中の音響信号を、対数尺度で周波数分析し、捜索対象の音源の基底ベクトルと周波数分析結果とを用いて、NMFを実行して、音響信号に対する基底ベクトルの活性度を算出し、その活性度を用いて、音響信号が捜索対象の音源から送出されたことを検出する。 As described above, according to the present embodiment, the acoustic signal in the sea acquired by the wave receiver 10 is frequency-analyzed on a logarithmic scale, and the NMF is performed to compute the activity of the basis vectors for the acoustic signal, and the activity is used to detect that the acoustic signal was emitted by the sound source being searched.

ここで、深層学習などに代表される機械学習によるアルゴリズムは、本実施の形態での基底に相当する知識情報を、周波数に限らず多様な因子の組合せによって表現している。これは、難易度の高い分類や認識の精度を上げるための措置であるが、このような知識情報を得るためには、経験や専門知識のある人間の手を介して、大量のデータの収集及び適切なデータの抽出の作業が必要となる。 Here, algorithms based on machine learning represented by deep learning express knowledge information corresponding to the basis in the present embodiment by combinations of various factors, not limited to frequencies. This is a measure to improve the accuracy of highly difficult classification and recognition, but in order to obtain such knowledge information, it is necessary to collect a large amount of data through human hands with experience and expertise. and appropriate data extraction work is required.

これに対して、NMFは、基底、すなわち周波数のみを知識情報として用いるため、学習用のデータは深層学習と比較すると格段に少なく済む。また、捜索対象の音源の周波数が既知であれば、その周波数をそのまま基底とすることも可能である。 On the other hand, since NMF uses only the basis, that is, frequency as knowledge information, the amount of data for learning is much smaller than deep learning. Also, if the frequency of the sound source to be searched is known, it is possible to use that frequency as the basis.

したがって、本実施の形態のように、信号分離処理の方式にNMFを用いることにより、学習用の音響信号として大量のデータが不要になり、また、学習用の音響信号が不適切なデータであることに起因して、類識別処理部20の精度低下を招くことが抑制される。 Therefore, by using NMF for the signal separation processing method as in the present embodiment, a large amount of data is not required as the acoustic signal for learning, and the acoustic signal for learning is inappropriate data. As a result, it is possible to prevent the accuracy of the class identification processing unit 20 from deteriorating.

また、本実施の形態によれば、基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、基底ベクトルと周波数分析結果との内積を計算した結果である活性度行列を算出し、活性度行列から各時刻の最大値を活性度として抽出する。 Further, according to the present embodiment, the basis vectors are shifted in an arbitrary range in the frequency direction, the activity matrix is calculated as a result of calculating the inner product of the basis vectors and the result of frequency analysis, and each Extract the maximum value of time as activity.

本実施の形態のように、基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらすことにより、ドップラシフトの影響により広い周波数帯域に捜索対象の音源の音響信号が発生してしまった場合でも、情報の欠落を抑制することができる。そのため、音響信号にドップラシフトが発生した場合でも、類識別処理部20でドップラシフトに対応可能になる。 As in this embodiment, by shifting the basis vectors in an arbitrary range in the frequency direction, even if the acoustic signal of the sound source to be searched is generated in a wide frequency band due to the influence of Doppler shift, loss of information can be suppressed. Therefore, even if a Doppler shift occurs in the acoustic signal, the class identification processing unit 20 can cope with the Doppler shift.

<他の実施の形態>
周波数分析結果分割部214でのデータ分割方法として、ビーム形成により特定の方位の成分を強調し、真逆の方位の成分を抑制する方法を用いても良い。この場合、分割後の周波数分析結果は全方位の成分をもつ(真逆の方位の成分であっても抑制はされるが、0とはならない)ため、信号部分に対する活性度と雑音部分に対する活性度との間の差が大きくなる。このことは、音源が検出されたことを判定する閾値判定部231において有利に働くことになる。更に、方位算出部212の到来方位の算出に既知の指向性合成手段を組み合わせることで、S/N比の最適化を図る構成としても良い。
<Other embodiments>
As a data division method in the frequency analysis result dividing unit 214, a method of emphasizing a component in a specific direction by beam forming and suppressing a component in a true opposite direction may be used. In this case, the frequency analysis results after division have components in all directions (even components in the exact opposite directions are suppressed, but they do not become 0). The difference between degrees increases. This is advantageous in the threshold decision section 231 that decides that a sound source has been detected. Furthermore, by combining known directivity synthesizing means with the calculation of the direction of arrival by the direction calculation unit 212, the S/N ratio may be optimized.

また、目標(船舶、潜水艦等を想定)と音源との関連付けがデータベース化されている前提の下で、次のように複数の音源の捜索、すなわち複数の音源にそれぞれ対応する複数の基底ベクトルの捜索を実行しても良い。例えば、任意の音源#1が検出された時点で、音源#1をもつ目標をデータベースから検索し、検索された目標がもつ他の音源#2の基底ベクトルを、基底データベース221から抽出する。そして、この音源#2の基底ベクトルを入力として、信号検出部22の信号分離部223以降の処理を実行する。 In addition, under the premise that the association between targets (ships, submarines, etc.) and sound sources is stored in a database, multiple sound sources are searched as follows, that is, multiple basis vectors corresponding to multiple sound sources are generated. You may carry out a search. For example, when an arbitrary sound source #1 is detected, the target having the sound source #1 is searched from the database, and the base vector of the other sound source #2 of the searched target is extracted from the base database 221 . Then, with the basis vector of this sound source #2 as an input, the processing after the signal separation unit 223 of the signal detection unit 22 is executed.

また、複数の音源が検出された後は、図4に示されるように、複数の音源の検出結果を組み合わせて用いて、目標の識別を実行しても良い。
図4の例では、複数の音源#1~#n(nは2以上の整数)にそれぞれ対応して、複数の信号検出部22-1~22-nが設けられ、さらに、信号検出部22-1~22-nの後段に目標判定部24が設けられている。
Also, after multiple sound sources are detected, as shown in FIG. 4, target identification may be performed using a combination of multiple sound source detection results.
In the example of FIG. 4, a plurality of signal detectors 22-1 to 22-n are provided corresponding to a plurality of sound sources #1 to #n (where n is an integer of 2 or more). -1 to 22-n, a target determination unit 24 is provided in the subsequent stage.

信号検出部22-1~22-nは、信号検出部22と同様の機能を備える。
例えば、信号検出部22-1は、自身に対応する音源#1の基底ベクトルを抽出した後、抽出された音源#1の基底ベクトルを入力として、信号分離部223以降の処理を実行する。その結果、信号検出部22-1は、入力信号に対する音源#1の基底ベクトルについての正規化活性度ベクトルを出力する。
同様に、信号検出部22-nは、入力信号に対する音源#nの基底ベクトルについての正規化活性度ベクトルを出力する。
The signal detection units 22-1 to 22-n have functions similar to those of the signal detection unit 22. FIG.
For example, the signal detection unit 22-1 extracts the basis vector of the sound source #1 corresponding to itself, and then receives the extracted basis vector of the sound source #1 as an input, and executes the processes after the signal separation unit 223. As a result, the signal detector 22-1 outputs a normalized activity vector for the basis vectors of the sound source #1 with respect to the input signal.
Similarly, the signal detector 22-n outputs a normalized activity vector for the basis vector of the sound source #n with respect to the input signal.

目標判定部24は、例えば、閾値判定部231と同一の手法により、音源#1~#nの存在を検出することが可能である。また、目標判定部24は、音源と目標との関係(例えば、音源#1及び音源#2をもつ目標はAである等)を学習した識別器を保持している。そのため、目標判定部24は、この識別器を用いて、各音源の検出結果を基に目標の識別を行う。目標判定部24の識別結果は、表示部30に出力され、表示される。なお、目標判定部24は、閾値判定部231の代わりに設けても良いし、閾値判定部231に追加して設けても良い。 The target determination unit 24 can detect the existence of the sound sources #1 to #n, for example, by the same method as the threshold value determination unit 231. FIG. The target determination unit 24 also holds a discriminator that has learned the relationship between the sound source and the target (for example, A is the target having the sound source #1 and the sound source #2). Therefore, the target determination unit 24 uses this discriminator to discriminate the target based on the detection result of each sound source. The identification result of the target determination unit 24 is output to the display unit 30 and displayed. Note that the target determination unit 24 may be provided instead of the threshold value determination unit 231 or may be provided in addition to the threshold value determination unit 231 .

<実施の形態の概念>
続いて、上述した実施の形態に係るパッシブソーナー装置の概念について説明する。
図5は、上述した実施の形態を概念的に示したパッシブソーナー装置の構成例を示す図である。
<Concept of Embodiment>
Next, the concept of the passive sonar device according to the embodiment described above will be described.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a passive sonar device conceptually showing the embodiment described above.

図5に示されるパッシブソーナー装置は、受波器91、対数周波数分析部92、基底選択部93、信号分離部94、及び判定部95を備えている。
受波器91は、海中の音響信号を取得する。受波器91は、受波器10に対応する。
The passive sonar apparatus shown in FIG. 5 includes a wave receiver 91 , a logarithmic frequency analysis section 92 , a base selection section 93 , a signal separation section 94 and a determination section 95 .
The wave receiver 91 acquires an underwater acoustic signal. A wave receiver 91 corresponds to the wave receiver 10 .

対数周波数分析部92は、対数尺度で音響信号の周波数分析を行う。対数周波数分析部92は、対数周波数分析部211に対応する。
基底選択部93は、特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出する。基底選択部93は、基底選択部222に対応する。
A logarithmic frequency analysis unit 92 performs frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale. The logarithmic frequency analysis section 92 corresponds to the logarithmic frequency analysis section 211 .
A basis selection unit 93 extracts basis vectors of a specific sound source from the database. The basis selection section 93 corresponds to the basis selection section 222 .

信号分離部94は、周波数分析結果と基底ベクトルとを用いて、非負値行列因子分解(NMF:Non-negative Matrix Factorization)を実行し、音響信号に対する基底ベクトルの活性度を算出する。信号分離部94は、信号分離部223に対応する。 The signal separator 94 uses the frequency analysis result and the basis vectors to perform non-negative matrix factorization (NMF) to calculate the activity of the basis vectors for the acoustic signal. The signal separator 94 corresponds to the signal separator 223 .

判定部95は、音響信号に対する基底ベクトルの活性度を用いて、音響信号が特定の音源から送出されたことを検出する。判定部95は、閾値判定部231又は目標判定部24に対応する。 The determination unit 95 detects that an acoustic signal is transmitted from a specific sound source using the activity level of the basis vectors for the acoustic signal. A determination unit 95 corresponds to the threshold determination unit 231 or the target determination unit 24 .

なお、信号分離部94は、基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、基底ベクトルと周波数分析結果との内積を計算した結果である活性度行列を算出し、算出された活性度行列から各時刻の最大値を活性度として抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた活性度ベクトルを算出しても良い。 Note that the signal separation unit 94 shifts the basis vectors in an arbitrary range in the frequency direction, calculates an activity matrix that is the result of calculating the inner product of the basis vectors and the frequency analysis result, and from the calculated activity matrix The maximum value at each time may be extracted as the activity, and an activity vector may be calculated by arranging the extracted maximum values at each time in the time direction.

また、パッシブソーナー装置は、周波数分析結果を方位ごとに分割する周波数分析結果分割部(周波数分析結果分割部214に対応)をさらに備えても良い。この場合、信号分離部94は、方位ごとに活性度行列を算出すると共に、方位ごとに活性度ベクトルを算出しても良い。また、この場合、方位ごとの活性度ベクトルを連結して正規化活性度行列を算出し、正規化活性度行列から各時刻の最大値を抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた正規化活性度ベクトルを算出する活性度正規化処理部(活性度正規化処理部225に対応)をさらに備えても良い。また、この場合、判定部95は、正規化活性度ベクトルを閾値と比較し、音響信号が特定の音源から送出されたことを検出しても良い。 Also, the passive sonar device may further include a frequency analysis result dividing unit (corresponding to the frequency analysis result dividing unit 214) that divides the frequency analysis result for each azimuth. In this case, the signal separation unit 94 may calculate an activity matrix for each direction and an activity vector for each direction. In this case, the activity vector for each orientation is connected to calculate a normalized activity matrix, the maximum value at each time is extracted from the normalized activity matrix, and the extracted maximum value at each time is calculated as may further include an activity normalization processing unit (corresponding to the activity normalization processing unit 225) that calculates the normalized activity vectors arranged in . Also, in this case, the determination unit 95 may compare the normalized activity vector with a threshold to detect that the acoustic signal is transmitted from a specific sound source.

また、特定の音源は、複数あっても良い。この場合、特定の音源にそれぞれ対応して、基底選択部93及び信号分離部94を設けても良い。また、この場合、基底選択部93は、自身に対応する特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出し、信号分離部94は、自身に対応する特定の音源の基底ベクトルと周波数分析結果とを用いて、NMFを実行し、音響信号に対する基底ベクトルの活性度を算出し、判定部95は、音響信号が複数の特定の音源から送出されたことを検出しても良い。 Also, there may be a plurality of specific sound sources. In this case, the basis selection section 93 and the signal separation section 94 may be provided for each specific sound source. Further, in this case, the basis selection unit 93 extracts the basis vectors of the specific sound source corresponding to itself from the database, and the signal separation unit 94 uses the basis vectors of the specific sound source corresponding to itself and the frequency analysis result. Then, the NMF is executed to calculate the activity of the basis vectors for the acoustic signals, and the determination unit 95 may detect that the acoustic signals are transmitted from a plurality of specific sound sources.

また、判定部95は、音響信号が複数の特定の音源から送出されたことを検出した場合、音源と目標との関係を学習した識別器を用いて、検出された複数の特定の音源を持つ目標を識別しても良い。 In addition, when detecting that the acoustic signal is transmitted from a plurality of specific sound sources, the determination unit 95 uses a discriminator that has learned the relationship between the sound source and the target to detect the plurality of specific sound sources. A target may be identified.

以上、実施の形態を参照して本開示を説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではない。本開示の構成や詳細には、本開示のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。 Although the present disclosure has been described above with reference to the embodiments, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present disclosure within the scope of the present disclosure.

例えば、上述の実施の形態においては、本開示のパッシブソーナー装置をハードウェアの構成として説明したが、本開示は、これに限定されるものではない。本開示は、パッシブソーナー装置の任意の処理を、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが、メモリに格納されたコンピュータプログラムを読み出し実行することにより、実現することも可能である。 For example, in the above embodiments, the passive sonar device of the present disclosure has been described as a hardware configuration, but the present disclosure is not limited to this. According to the present disclosure, arbitrary processing of the passive sonar device can be realized by a processor such as a CPU (Central Processing Unit) reading and executing a computer program stored in memory.

上述の例において、プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体(non-transitory computer readable medium)を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体(tangible storage medium)を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD-ROM(Compact Disc-Read Only Memory)、CD-R(CD-Recordable)、CD-R/W(CD-ReWritable)、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体(transitory computer readable medium)によってコンピュータに供給されても良い。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 In the above examples, the programs can be stored and delivered to computers using various types of non-transitory computer readable media. Non-transitory computer-readable media include various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic recording media (eg, flexible discs, magnetic tapes, hard disk drives), magneto-optical recording media (eg, magneto-optical discs), CD-ROMs (Compact Disc-Read Only Memory), CDs - R (CD-Recordable), CD-R/W (CD-ReWritable), semiconductor memory (e.g. mask ROM, PROM (Programmable ROM), EPROM (Erasable PROM), flash ROM, RAM (Random Access Memory)) include. The program may also be delivered to the computer by various types of transitory computer readable medium. Examples of transitory computer-readable media include electrical signals, optical signals, and electromagnetic waves. Transitory computer-readable media can deliver the program to the computer via wired channels, such as wires and optical fibers, or wireless channels.

10 受波器
20 類識別処理部
21 前段処理部
211 対数周波数分析部
212 方位算出部
213 検出区間判定部
214 周波数分析結果分割部
22 信号検出部
221 基底データベース
222 基底選択部
223 信号分離部
224 雑音推定部
225 活性度正規化処理部
23 後段処理部
231 閾値判定部
24 目標判定部
30 表示部
91 受波器
92 対数周波数分析部
93 基底選択部
94 信号分離部
95 判定部
REFERENCE SIGNS LIST 10 wave receiver 20 class identification processing unit 21 pre-processing unit 211 logarithmic frequency analysis unit 212 direction calculation unit 213 detection interval determination unit 214 frequency analysis result division unit 22 signal detection unit 221 base database 222 base selection unit 223 signal separation unit 224 noise Estimation unit 225 Activity normalization processing unit 23 Post-processing unit 231 Threshold determination unit 24 Target determination unit 30 Display unit 91 Wave receiver 92 Logarithmic frequency analysis unit 93 Base selection unit 94 Signal separation unit 95 Determination unit

Claims (6)

海中の音響信号を取得する受波器と、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行う対数周波数分析部と、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出する基底選択部と、
前記基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、前記基底ベクトルと前記周波数分析の結果である周波数分析結果との内積を計算した結果である活性度行列を算出し、前記活性度行列から各時刻の最大値を抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた活性度ベクトルを算出する信号分離部と、
前記活性度ベクトルの各時刻の数値を閾値と比較し、前記活性度ベクトルの各時刻の数値が閾値以上の数値であれば、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する判定部と、
を備える、パッシブソーナー装置。
a receiver for acquiring underwater acoustic signals;
a logarithmic frequency analysis unit that performs frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
a basis selection unit for extracting basis vectors of a particular sound source from a database;
An activity matrix is calculated by shifting the basis vectors in an arbitrary range in the frequency direction, calculating an inner product of the basis vectors and the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis. a signal separation unit that extracts the maximum value of time and calculates an activity vector in which the extracted maximum value of each time is arranged in the time direction;
Judgment for comparing the numerical value of the activity vector at each time with a threshold value, and detecting that the acoustic signal is transmitted from the specific sound source if the numerical value at each time of the activity vector is equal to or greater than the threshold value. Department and
A passive sonar device comprising:
前記周波数分析結果を方位ごとに分割する周波数分析結果分割部をさらに備え、
前記信号分離部は、方位ごとに前記活性度行列を算出すると共に、方位ごとに前記活性度ベクトルを算出し、
方位ごとの前記活性度ベクトルを連結して正規化活性度行列を算出し、前記正規化活性度行列から各時刻の最大値を抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた正規化活性度ベクトルを算出する活性度正規化処理部をさらに備え、
前記判定部は、前記正規化活性度ベクトルの各時刻の数値を閾値と比較し、前記正規化活性度ベクトルの各時刻の数値が閾値以上の数値であれば、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する、
請求項に記載のパッシブソーナー装置。
further comprising a frequency analysis result dividing unit that divides the frequency analysis result by direction,
The signal separation unit calculates the activity matrix for each orientation and calculates the activity vector for each orientation,
A normalized activity matrix is calculated by connecting the activity vectors for each orientation, the maximum value at each time is extracted from the normalized activity matrix, and the extracted maximum values at each time are arranged in the time direction. further comprising an activity normalization processing unit that calculates a normalized activity vector,
The determination unit compares the numerical value of the normalized activity vector at each time with a threshold value, and if the numerical value of the normalized activity vector at each time is equal to or greater than the threshold value, the acoustic signal corresponds to the specific sound source. to detect that it has been sent from
A passive sonar device according to claim 1 .
前記特定の音源は、複数あり、
前記特定の音源にそれぞれ対応して、前記基底選択部及び前記信号分離部が設けられ、
前記基底選択部は、自身に対応する前記特定の音源の前記基底ベクトルを前記データベースから抽出し、
前記信号分離部は、自身に対応する前記特定の音源の前記基底ベクトルと前記周波数分析結果とを用いて、前記活性度ベクトルを算出し、
前記判定部は、前記音響信号が複数の前記特定の音源から送出されたことを検出する、
請求項1又は2に記載のパッシブソーナー装置。
There are a plurality of said specific sound sources,
The base selection unit and the signal separation unit are provided corresponding to the specific sound sources, respectively;
The basis selection unit extracts the basis vectors of the specific sound source corresponding to itself from the database,
The signal separation unit calculates the activity vector using the basis vector and the frequency analysis result of the specific sound source corresponding to itself,
The determination unit detects that the acoustic signals have been transmitted from a plurality of the specific sound sources,
3. A passive sonar device according to claim 1 or 2 .
前記判定部は、前記音響信号が複数の前記特定の音源から送出されたことを検出した場合、音源と目標との関係を学習した識別器を用いて、検出された複数の前記特定の音源を持つ目標を識別する、
請求項に記載のパッシブソーナー装置。
When detecting that the acoustic signals are transmitted from the plurality of specific sound sources, the determination unit identifies the plurality of detected specific sound sources using a discriminator that has learned the relationship between the sound source and the target. identify goals that have
4. A passive sonar device as claimed in claim 3 .
パッシブソーナー装置による検出方法であって、
海中の音響信号を取得し、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行い、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出し、
前記基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、前記基底ベクトルと前記周波数分析の結果である周波数分析結果との内積を計算した結果である活性度行列を算出し、前記活性度行列から各時刻の最大値を抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた活性度ベクトルを算出し
前記活性度ベクトルの各時刻の数値を閾値と比較し、前記活性度ベクトルの各時刻の数値が閾値以上の数値であれば、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する、
検出方法。
A detection method using a passive sonar device,
Acquiring underwater acoustic signals,
performing a frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
Extract the basis vectors of a particular sound source from the database,
An activity matrix is calculated by shifting the basis vectors in an arbitrary range in the frequency direction, calculating an inner product of the basis vectors and the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis. Extract the maximum value of the time, calculate the activity vector by arranging the maximum value of each extracted time in the time direction ,
Comparing the numerical value of each time of the activity vector with a threshold value, and detecting that the acoustic signal is transmitted from the specific sound source if the numerical value of each time of the activity vector is equal to or greater than the threshold value;
Detection method.
コンピュータに、
海中の音響信号を取得する手順と、
対数尺度で前記音響信号の周波数分析を行う手順と、
特定の音源の基底ベクトルをデータベースから抽出する手順と、
前記基底ベクトルを任意の範囲で周波数方向にずらして、前記基底ベクトルと前記周波数分析の結果である周波数分析結果との内積を計算した結果である活性度行列を算出し、前記活性度行列から各時刻の最大値を抽出し、抽出された各時刻の最大値を時間方向に並べた活性度ベクトルを算出する手順と、
前記活性度ベクトルの各時刻の数値を閾値と比較し、前記活性度ベクトルの各時刻の数値が閾値以上の数値であれば、前記音響信号が前記特定の音源から送出されたことを検出する手順と、
を実行させるためのプログラム。
to the computer,
a procedure for obtaining an acoustic signal in the sea;
performing a frequency analysis of the acoustic signal on a logarithmic scale;
a step of extracting basis vectors for a particular sound source from a database;
An activity matrix is calculated by shifting the basis vectors in an arbitrary range in the frequency direction, calculating an inner product of the basis vectors and the frequency analysis result, which is the result of the frequency analysis. A procedure of extracting the maximum value of time and calculating an activity vector in which the extracted maximum value of each time is arranged in the time direction;
A step of comparing the numerical value of the activity vector at each time with a threshold, and detecting that the acoustic signal is transmitted from the specific sound source if the numerical value of the activity vector at each time is equal to or greater than the threshold. and,
program to run the
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